Podręcznik

Jeszcze dalej idącym uproszczeniem jest zastosowanie matryc bramkowych (ang. gate arrays). Matrycą bramkową nazywamy układ w postaci matrycy regularnie rozmieszczonych komórek (jednakowych lub różnych), połączonych siecią połączeń w taki sposób, by uzyskać zadany schemat. Zaletą matryc bramkowych jest to, że projektuje się tylko połączenia. Nie projektuje się rozmieszczenia komórek w matrycy. Oznacza to dalsze zmniejszenie pracochłonności i ryzyka popełnienia omyłek. Co więcej, układy matryc bramkowych można produkować bez połączeń i takie półfabrykaty przechowywać. Gdy powstanie projekt konkretnego układu, wykonuje się odpowiednie do tego projektu maski ścieżek metalu i kontaktów, i wykonuje operacje wytwarzania połączeń na wcześniej wyprodukowanych matrycach. Dzięki temu bardzo skraca się nie tylko czas potrzebny na zaprojektowanie układu, ale i czas oczekiwania na prototypowe układy oraz koszt prototypów. Podobnie jak w przypadku komórek standardowych, układ przeznaczony do wykonania przy użyciu matrycy bramkowej może być zaprojektowany całkowicie automatycznie na podstawie opisu behawioralnego.

Matryce bramkowe miały okres sporej popularności, ale zostały w znacznym stopniu wyparte przez układy programowalne (FPGA), które były już wspominane wcześniej. Układ programowalny to taki rodzaj matrycy bramkowej, w której sieć połączeń określa użytkownik przez zaprogramowanie układu.

Rysunek 4 14.Zasada budowy matryc bramkowych: (a) zwykłej, (b) prostej matrycy programowalnej. Czerwone punkty oznaczają kontakty, które zostały zaprogramowane w matrycy programowalnej. Tam, gdzie nie ma takiego punktu, nie ma połączenia elektrycznego.

Matryca zawiera nie tylko komórki, ale i wstępnie poprowadzoną sieć połączeń, która jednak wymaga wykonania kontaktów. Kontakty te służą do połączenia wejść i wyjść komórek ze ścieżkami oraz ścieżek między sobą. W ten sposób powstaje gotowy układ. Kontakty są programowalne, tj. powstają w drodze elektrycznego zaprogramowania układu. Istnieje kilka sposobów wytworzenia programowalnego kontaktu.

Programowalne matryce bramkowe FPGA zdobyły dużą popularność, ponieważ przy ich użyciu działające układy otrzymuje się niemal natychmiast. Opis behawioralny układu poddawany jest syntezie logicznej, po czym generowane są dane dla programatora, który programuje połączenia w matrycy podając odpowiedni ciąg sygnałów na specjalne wejścia programujące układu FPGA. 

W nowoczesnych układach FPGA programowalne mogą być nie tylko połączenia, ale i funkcje logiczne samych komórek w matrycy, co daje tym układom bardzo dużą elastyczność. Oprócz matryc prostych komórek najbardziej zaawansowane układy FPGA zawierają także większe bloki funkcjonalne, aż do rdzeni mikroprocesorów i bloków pamięci włącznie. Jak wspominaliśmy wcześniej, produkowane są także programowalne układy analogowo-cyfrowe, zawierające matryce bramek cyfrowych i bardziej złożone bloki, a równocześnie typowe bloki analogowe, jak np. wzmacniacze operacyjne, oraz przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe. Umożliwia to łatwe realizacje układów typu „System on chip”, stąd ten rodzaj układów programowalnych znany jest pod nazwą „PSoC” („Programmable system on chip”).